QUÍMICA INDUSTRIAL. Fibras Naturales y. Artificiales. A.1.1 San Sebastián-Donostia B.1. Fibras Naturales y Artificiales

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1 Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial Industri Ingenieritza Teknikorako Unibertsitate Eskola A.1.1 San Sebastián-Donostia QUÍMICA B. INDUSTRIAL Fibras Naturales y B.1 Artificiales Profesor: Fernández Marzo, Florencio Autoras: Cruz Basañez, Natalia Goicoechea Arrufat, Ana Hermosilla Busto, Laura Ruiz Aizpuru, Nerea Especialidad: Control de Procesos Químicos Curso: 4º Química Industrial 1

2 ÍNDICE ÍNDICE 0 INTRODUCCIÓN 1 0. INTRODUCCIÓN 3 1. FIBRAS NATURALES Fibras de Origen Animal Fibras de Origen Vegetal Fibras de Origen Mineral 7 2. FIBRAS CELULÓSICAS HECHAS POR EL HOMBRE 9 3. FIBRAS CELULÓSICAS NO HECHAS POR EL HOMBRE BIBLIOGRAFÍA 1 C. ANEXOS (Artículos) INTRODUCCIÓN Química Industrial 2

3 Un polímero es una molécula de peso molecular elevado, con una estructura compleja, formado por la repetición de una estructura menor, llamada monómero, que es un producto generalmente orgánico. Se llama polimerización a la forma de unión de unas moléculas con otras en un polímero. Existen dos tipos de polimerización: de adición o crecimiento de cadena y de consideración o crecimiento por pasos. La polimerización por crecimiento de cadena se caracteriza porque los intermediarios del proceso (radicales libres, iones o complejos metálicos) son transitorios y no pueden aislarse. La polimerización por pasos se producen por reacciones entre moléculas que tienen grupos funcionales. Los intermediarios de peso molecular bajo se les llama oligómeros, y se pueden aislar. Se le puede describir como una reacción química sencilla que se efectúa repetidamente. Las polimerizaciones por crecimiento de cadena se realizan por cuatro procesos distintos: - En fase condensada: El monómero y un iniciador se combinan en un recipiente y se calientan a la temperatura necesaria. Se debe controlar estrictamente la temperatura. Ej. PMMA. - En solución: La reacción se efectúa en un disolvente que absorbe el calor y reduce la viscosidad del medio. Es difícil eliminar todo el disolvente. Ej. PP. - En suspensión: El monómero y el catalizador se suspenden en forma de gotitas en una fase continua como el agua. Se necesita agitación continua. Ej. PVC. - En emulsión: El monómero es absorbido al interior de unas micelas creadas por un agente emulsificante, como el jabón, y dentro se produce la polimerización. Ej. Pinturas. Las clases de polímeros las podemos subdividir de dos maneras: - Según su Naturaleza Naturales Son sustancias sacadas de la Naturaleza y sin sufrir modificación, ejemplos de estos polímeros son: Proteínas, Polisacáridos, Caucho natural. Sintéticos Química Industrial 3

4 Son polímeros creados por el hombre y se dividen en dos categorías: - Termoplásticos: su característica principal es que al calentarse se ablandan o funden, y son solubles en disolventes adecuados. Están formados por moléculas de cadenas largas, a menudo sin ramificaciones. - Termofijos: se descomponen al ser calentados y no pueden fundirse ni solubilizarse. Tienen estructuras elaboradas tridimensionales con reticulación; no se pueden utilizar para crear fibras, ya que para esto se necesitan moléculas lineales sin ramificación, que puedan orientarse convenientemente durante los procesos de hilado y estiramiento. - Según su uso Plásticos Son polímeros o resinas que han sido moldeados, por lo general bajo presión. Sus propiedades están entre las de los elastómeros y las fibras. La característica sobresaliente de los plásticos y de sus usos es la variedad. Elastómeros Tienen alta extensibilidad. Tienen la propiedad de regresar de forma reversible a su posición original al eliminarse la tensión. Adhesivos Tienen cierto grado de extensibilidad, alta adhesión pero conservando cierto grado de cohesión. Suelen tener baja cristalinidad. Recubrimientos de superficies Sus características son similares a las de los adhesivos, pero además tienen gran resistencia a la abrasión. Se usan para proteger y decorar. Fibras Pueden tejerse o enlazarse para formar prendas dimensionalmente estables; es que no cedan demasiado. Deben ser resistentes y con tendencia a la cristalización. Todos ellos se van a estudiar con más profundidad en adelante. 0. INTRODUCCIÓN Química Industrial 4

5 Las fibras son estructuras unidimensionales, largas y delgadas. Se doblan con facilidad y su propósito principal es la creación de tejidos. Los polímeros útiles como fibras son los que tienen un alto grado de cristalinidad y fuerte interacción de cadenas adyacentes, esta orientación incremento la fuerza tensíl. Las fibras tienen una longitud muy superior a su diámetro (que no suele ser superior a 0.05 cm), están orientadas a lo largo de un solo eje. Tienen gran cohesión molecular, lo que les hace ser más fuertes que los plásticos. Su Tg y su punto de fusión son muy importantes en las fibras, una Tg demasiado alta dificulta el estiramiento, y por lo tanto, la orientación de la fibra, y si es demasiado baja, la orientación no se mantiene a temperatura ambiente. Las fibras pueden dividirse en tres clases: fibras naturales, fibras celulósicas hechas por el hombre y fibras no celulósicas hechas por el hombre. 1. FIBRAS NATURALES Se dividen en: - Fibras animales: lana, mohair, seda..., que son proteínas complejas. - Fibras vegetales: algodón fino, yute..., que son polímeros de celulosa. - Fibras inorgánicas como el asbesto, amianto Fibras de Origen Animal Desde un punto de vista químico, las fibras de origen animal son proteínas resistentes a la mayoría de los ácidos orgánicos. También resisten, en unas condiciones determinadas, la acción de ciertos ácidos minerales como el ácido sulfúrico (H2SO4). Por el contrario, las bases o álcalis poco agresivos pueden dañar las fibras proteínicas y los álcalis fuertes como el hidróxido de sodio (NaOH) pueden disolverlas por completo. Los blanqueadores que contienen cloro también pueden dañarlas (el hipoclorito líquido no debe usarse nunca con lana ni seda). Si se utilizan sin diluir, dañan las fibras e incluso pueden disolverlas por completo. Seda (S) Química Industrial 5

6 El componente principal de la seda es la fibroína proteínica. Algunos insectos y arañas producen filamentos continuos de seda en sus abdómenes. Son los únicos filamentos (un término referido a una fibra de longitud indefinida) de origen natural, que alcanzan normalmente una longitud superior a los m. Varios filamentos se unen formando un hilo. Sin embargo, la seda para la fabricación de hilados se produce y se utiliza en filamentos más cortos. El gusano de seda es el único insecto que produce la seda auténtica utilizada en los productos textiles. Es una de las más costosas. De alto brillo y suave textura. Sus hilos no son uniformes, pero son muy resistentes al desgaste. Lana (WO) La lana es el pelo de las ovejas. Es un material heterogéneo compuesto principalmente por una proteína llamada queratina. El procesamiento de la lana tiene 20 etapas, con lo cual es un producto caro. Su elasticidad o resistencia se debe a fuerzas intermoleculares. La lana no se deforma permanentemente al aplicarle una presión; es un buen aislante y puede teñirse con facilidad. También tiene sus desventajas, ya que encogen al lavarse y tiende a apelmazarse, amarillea y se apolilla si no se trata debidamente. Fieltro Tejido que se fabrica entrelazando fibras de lana sin hilar, a veces mezcladas con pequeñas cantidades de fibras vegetales o sintéticas Entre las fibras empleadas junto con la lana para fabricar fieltro hay fibras vegetales como el algodón, el capoc, el ramio o el yute, y fibras sintéticas como el rayón o el nailon. El fieltro de lana y otros paños no tejidos se emplean en almohadillas de entintado para impresoras automáticas, amortiguadores de vibración para maquinaria y aislamientos acústicos, o para pulir vidrio, granito y algunos metales. Para lubricar máquinas se emplean almohadillas de fieltro empapadas en aceite. La elasticidad del fieltro hace que sea el único material adecuado para las sordinas de los pianos y otros instrumentos musicales. El fieltro de lana se emplea también para fabricar sombreros y otras prendas de vestir. Mohair (WM) Es pelo de cabra. Es muy resistente al desgaste y bastante flexible, además de poseer un fuerte brillo. Se hila puro o mezclado con lana de carnero. Se usa para abrigos, vestidos, mantas y para alfombras. 1.2 Fibras de Origen Vegetal Química Industrial 6

7 Las fibras vegetales son principalmente de celulosa, que, a diferencia de las proteínas de las fibras de origen animal, es resistente a los álcalis. Estas fibras son asimismo resistentes a la mayoría de los ácidos orgánicos, pero los ácidos minerales fuertes las destruyen. La utilización incorrecta de la mayoría de los blanqueadores puede debilitar o destruir estas fibras. Las fibras de origen vegetal tienen muchas aplicaciones en la industria del papel. El algodón y el lino son la base de algunos papeles rugosos de calidad, mientras que las gramíneas, el cáñamo, el yute y el cáñamo de Manila se utilizan para fabricar papeles de embalaje y otros de menor calidad. El papel de los periódicos y el papel de tipo kraft se fabrican con fibra de madera tratada químicamente. Con fibra de madera y bagazo (la fibra de la caña de azúcar), y mediante un proceso similar al de la fabricación del papel, se obtienen tableros para la construcción. Algodón (CO) Es una forma pura de celulosa con alta cristalinidad. Está constituido por el suave pelillo celular que cubre las semillas de las plantas de algodón. Para su procesamiento se requiere menos etapas que para la lana, y es mucho más barato. Dura mucho y se tiñe con facilidad, absorbe con rapidez el agua pero se seca más rápido que la lana. Si está preencogido, es estable a los lavados, se puede planchar a temperaturas muy altas, no acumula electricidad estática, tiene alta resistencia al rasgado y al frote. La principal desventaja es que se arruga con facilidad y es muy inflamable a la llama. Capoc Fibra obtenida de las semillas del árbol de la especie Ceiba Pentandra. Es una fibra parecida al algodón, pero como es corta y frágil, no puede hilarse igual que éste, por lo que se usa como relleno en tapicería. Por su ligereza y sus propiedades repelentes del agua, el Capoc se ha utilizado mucho en la confección de chalecos salvavidas y como material aislante. Lino (CL) La fibra del Lino se extrae de la planta Linum Usitatissimum. Ocupa el primer lugar entre las fibras de los tallos, delante del cáñamo (CH) o del yute (CJ). Su obtención exige varas etapas, lo que se hace sentir en su precio. Es fácil de teñir y es muy fresca debido a que absorbe mucha humedad, no acumula electricidad estática, tiene fuerte tendencia a arrugarse si no se le ha aplicado un tratamiento especial. Sus usos son para ropa de cama, manteles, telas para velas, y en menor medida, para ropa de vestir. Rafia Química Industrial 7

8 Hierba de aproximadamente un metro de altura, de sus hojas se extrae una fibra de la cual se aprovecha en su totalidad para la confección de sombreros, esteras y cestos una vez se arranca, se seca y se peina. Ramio Fibra lustrosa, duradera, suave, más fuerte que el algodón y resistente a los productos químicos, el mildíu y el encogimiento, toma bien los tintes, pero es difícil de hilar. Con ella se confeccionan cordeles e hilaturas y los tejidos (casi siempre mezclados con otras fibras) se usan en colchonería, tapicería y confección de otros productos. Esparto También llamado atocha. Se utiliza en la industria del papel, aunque su uso principal ha sido la fabricación de todo tipo de cestas y cuerdas. Yute (CJ) Se extrae de los tallos del yute, que se cultiva en zonas de inundaciones. Absorbe la humedad y es muy sensible a los ácidos, las lejías no le afectan. Se usa para tejidos para embalajes como sacos y también para cordonería. Cáñamo Fibra fuerte y dúctil. Con él se confeccionan numerosos géneros textiles, como tejidos bastos, cuerdas y lonas para fabricar velas y sacos. Cáñamo de Cuerda Fibra semejante al cáñamo. Esta fibra, antes utilizada para fabricar cuerdas de arco, es larga, sedosa, elástica, resistente a la putrefacción por el agua y de fortaleza semejante a la del cáñamo común. Las fibras se extraen de las hojas alargadas de la planta. Con ellas se fabrican cabos, esteras y tejidos bastos. Cáñamo de Manila También llamado. Las fibras más finas, de hasta 5 m de longitud, se usan para fabricar tejidos. Las externas, más bastas, se destinan a la confección de esteras y cuerdas duraderas; los cabos de cáñamo de Manila se consideran los mejores del mundo. 1.3 Fibras de Origen Mineral Química Industrial 8

9 La fibra de vidrio es la única fibra de origen inorgánico (mineral) que se utiliza a gran escala en los tejidos corrientes. Se ha descubierto que la fibra de amianto, que se empleaba en el pasado en aislamientos y protecciones ignífugas, es cancerígena. Para la fabricación de gasa se utiliza alambre fino de metal, mezclado con fibras orgánicas que forman un patrón determinado. Sin embargo, la mayoría del hilo metálico consiste en tiras delgadas de hoja de metal similares al espumillón.para conseguir más resistencia, las hojas de metal se intercalan con capas delgadas o película de plástico. Otros hilos metálicos están formados por un núcleo de algodón rodeado de una tira delgada o una hebra de metal cubierta por una sustancia viscosa e impregnada de polvo metálico. El material aislante llamado lana de roca es una sustancia fibrosa hecha de viruta de fresadora, piedra caliza o roca silícea. Fibra de Vidrio Es posible producir fibras de vidrio (que pueden tejerse como las fibras textiles) estirando vidrio fundido hasta diámetros inferiores a una centésima de milímetro. Se pueden producir tanto hilos multifilamento largos y continuos como fibras cortas de 25 o 30 centímetros de largo. Una vez tejida para formar telas, la fibra de vidrio resulta ser un excelente material para cortinas y tapicería debido a su estabilidad química, solidez y resistencia al fuego y al agua. Los tejidos de fibra de vidrio, sola o en combinación con resinas, constituyen un aislamiento eléctrico excelente. Impregnando fibras de vidrio con plásticos se forma un tipo compuesto que combina la solidez y estabilidad química del vidrio con la resistencia al impacto del plástico. Otras fibras de vidrio muy útiles son las empleadas para transmitir señales ópticas en comunicaciones informáticas y telefónicas mediante la nueva tecnología de la fibra óptica, en rápido crecimiento. Fibra Óptica Fibra o varilla de vidrio (u otro material transparente con un índice de refracción alto) que se emplea para transmitir luz. Cuando la luz entra por uno de los extremos de la fibra, se transmite con muy pocas pérdidas incluso aunque la fibra esté curvada. El principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la reflexión interna total; la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa con un ángulo mayor que el ángulo crítico, de forma que toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz puede transmitirse a larga distancia reflejándose miles de veces. Para evitar pérdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio con un índice de refracción Química Industrial 9

10 mucho menor; las reflexiones se producen en la superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento. La aplicación más sencilla de las fibras ópticas es la transmisión de luz a lugares que serían difíciles de iluminar de otro modo, como la cavidad perforada por la turbina de un dentista. También pueden emplearse para transmitir imágenes; en este caso se utilizan haces de varios miles de fibras muy finas, situadas exactamente una al lado de la otra y ópticamente pulidas en sus extremos. Cada punto de la imagen proyectada sobre un extremo del haz se reproduce en el otro extremo, con lo que se reconstruye la imagen, que puede ser observada a través de una lupa. La transmisión de imágenes se utiliza mucho en instrumentos médicos para examinar el interior del cuerpo humano y para efectuar cirugía con láser, en sistemas de reproducción mediante facsímil y fotocomposición, en gráficos de ordenador o computadora y en muchas otras aplicaciones. Las fibras ópticas también se emplean en una amplia variedad de sensores, que van desde termómetros hasta giroscopios. Su potencial de aplicación en este campo casi no tiene límites, porque la luz transmitida a través de las fibras es sensible a numerosos cambios ambientales, entre ellos la presión, las ondas de sonido y la deformación, además del calor y el movimiento. Las fibras pueden resultar especialmente útiles cuando los efectos eléctricos podrían hacer que un cable convencional resultara inútil, impreciso o incluso peligroso. También se han desarrollado fibras que transmiten rayos láser de alta potencia para cortar y taladrar materiales. La fibra óptica se emplea cada vez más en la comunicación, debido a que las ondas de luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una señal para transportar información aumenta con la frecuencia. En las redes de comunicaciones se emplean sistemas de láser con fibra óptica. Hoy funcionan muchas redes de fibra para comunicación a larga distancia, que proporcionan conexiones transcontinentales y transoceánicas. Una ventaja de los sistemas de fibra óptica es la gran distancia que puede recorrer una señal antes de necesitar un repetidor para recuperar su intensidad. En la actualidad, los repetidores de fibra óptica están separados entre sí unos 100 km, frente a aproximadamente 1,5 km en los sistemas eléctricos. Los amplificadores de fibra óptica recientemente desarrollados pueden aumentar todavía más esta distancia. Otra aplicación cada vez más extendida de la fibra óptica son las redes de área local. Al contrario que las comunicaciones de larga distancia, estos sistemas conectan a una serie de abonados locales con equipos centralizados como ordenadores (computadoras) o impresoras. Este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y permite fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios. El desarrollo de nuevos componentes electroópticos y de óptica integrada aumentará aún más la capacidad de los sistemas de fibra. Química Industrial 10

11 Amianto Forma fibrosa de varios minerales y silicatos hidratados de magnesio. El nombre también puede aplicarse a las formas fibrosas de calcio y hierro; cuando aparecen ligeramente teñidas reciben el nombre de asbesto. Las fibras de amianto pueden moldearse o tejerse de diferentes maneras. Al no ser inflamable y aislar bien del calor, el amianto se emplea mucho para fabricar productos ignífugos, como ropa de seguridad para bomberos, y productos aislantes, como los de las tuberías de agua caliente. La longitud de las fibras, así como la composición química del mineral, determina el tipo de producto que puede fabricarse con el amianto. Las fibras más largas se usan para tejidos, por lo general asociadas con algodón o rayón, y las más cortas para productos moldeados como las tuberías o protectores. El amianto se ha empleado en materiales de construcción, textiles, piezas de aviones y misiles, asfaltos y compuestos de calafateo, pinturas y productos de fricción como pastillas de frenos. Sin embargo, la inhalación de polvo de amianto o de asbesto puede producir asbestosis, una enfermedad pulmonar, así como después de un periodo de latencia de hasta 30 años o más diversas formas de cáncer, en especial cáncer de pulmón y mesotelioma, una enfermedad oncológica de la mucosa que recubre las cavidades torácica y abdominal. Hoy no existen alternativas totalmente satisfactorias para el amianto en muchas de sus aplicaciones; sin embargo, debido a los riesgos para la salud que plantea su uso, se ha acelerado la investigación para encontrar materiales que lo sustituyan. 2. FIBRAS CELULÓSICAS HECHAS POR EL HOMBRE Son fibras cuyas materias primas provienen de la Naturaleza, pero que han sido tratadas por el hombre. Fueron las primeras fibras sintéticas. Rayón (CV) Su materia prima es la celulosa de la madera del abeto. Se obtiene bañando el algodón en sosa y tratado en sulfato de cobre y amoníaco (Rayón cuproamoniacal) o tratando la fibra química artificial celulósica de algodón o de pulpa de madera, mezclada con ácido nítrico y sulfúrico. Las ventajas del rayón son su bajo precio, su absorción de humedad, su estabilidad, tacto sedoso y su facilidad de teñido. Como inconvenientes están la baja resistencia en húmedo, arden con facilidad, se cargan de electricidad estática, no se deben centrifugar para evitar deformaciones. Química Industrial 11

12 Acetato y fibras de acetato (CA) Como materias primas se usan residuos de hilados de algodón y celulosa pura. A éstos se les añade anhídrido acético, ácido acético glaciar y ácido sulfúrico. Para formarse sus fibras lo podemos hacer de dos formas: hilatura por fusión o hilatura con disolventes. El acetato de celulosa es más suave que el rayón pero menos fuerte; tienen poca resistencia a la abrasión y a la tensión, el color no es permanente y tiene gran facilidad para arrugarse. Triacetato Derivado de la celulosa por combinación de celulosa con ácido acético y/o Anhídrido acético. No encoge, no se arruga y no pierde el color (fácil de lavar). Se utiliza para confección de faldas, vestidos, ropa de deporte FIBRAS NO CELULÓSICAS HECHAS POR EL HOMBRE Son las llamadas fibras químicas sintéticas. Las ventajas de estas fibras es principalmente que no se depende de cosechas y el volumen de producción puede ser modificado a voluntad. Las propiedades de las fibras químicas pueden ser modificables a voluntad, como la resistencia, brillo, aunque tienen algunas desventajas como la absorción de agua. Nylon Son las más resistentes y duras de todas las fibras. Son estables, al calor de modo que pueden hilarse por fusión. Son hidrofóbicas, por lo que se secan con rapidez. Gracias a su alta resistencia a la tensión, elasticidad y resistencia a la abrasión, es ideal para aplicaciones como cables, medias y alfombras. Este tipo de fibra no deja pasar el agua, se seca rápidamente cuando se lava y no suele requerir planchado. Se us también para fabricar paracaídas, redes contra insectos, suturas para cirugía, redes de pesca... Como desventajas podemos señalar que la luz ultravioleta lo degrada, por lo tanto puede amarillear con el tiempo, además no tiene buena percepción al tacto y produce sensación de frío. Fibras acrílicas El más importante es el poliacrilonitrilo, que no puede hilarse fundido porque no es estable al calor; esa es la razón de que, aunque hace tiempo que se conocía, no se hiló hasta la década de los cincuenta en la que se encontró un disolvente para él. Estas fibras son resistentes a la adición de colorantes, por lo que se deben incluir en su composición otros monómeros. Química Industrial 12

13 Tienen una apariencia y un tacto parecido a la lana, aunque más barata. Son bastante resistentes y estables a la luz, se lavan mejor que la lana y pueden hacerse pliegues permanentes. Un gran problema es que son inflamables a la llama, aunque no son peligrosas porque los fabricantes les añaden retardantes. Se usan principalmente para suéteres, vestidos y calcetería, sobre todo sustituyendo a la lana. Fibras de poliester La única importante es el tereftalato de polietileno. Es un polímero estable y puede hilarse por fusión. Las fibras son algo rígidas debido a la reticulación. La mayoría se usa para telas y suele estar mezclada con algodón. También se usa como guata, alfombras, tapetes y fundas de almohada. Tiene varias desventajas: baja retención de la humedad, producen sensación de frío, además adquieren fácilmente carga estática, con lo que atrae las partículas de suciedad, aceites y grasas. Su gran densidad encarece su coste. Son resistentes y estables al lavado. Otras fibras sintéticas En este grupo se engloban a las fibras que pueden hilarse como tal, pero que tienen menos importancia comercial debido a sus propiedades muy concretas. Las fibras de polipropileno se obtienen por fusión del polipropileno isotáctico, esto es posible debido a su ordenamiento, que hace que se puedan orientar. La forma sindiotáctica no existe en el mercado. Estas fibras son difíciles de teñir y una mala percepción al tacto, sin embargo son baratas, ya que su densidad es baja. Son poco propensas a la electricidad estática, no son inflamables y son poco reactivos químicamente. Como propiedades negativas tienen bajo punto de fusión, baja Tg y es poco estable a la luz. Sus usos son para bajoalfombras, telas y cuerdas para muelles, ya que flotan. Las fibras de poliuretano se conocen con el nombre de Spandex y son elastoméricas. Es un copolímero. Estas fibras se usan en lencería y en trajes de baño. Tienen baja resistencia en agua caliente y son vulnerables a los agentes de blanqueo y a la hidrólisis. No son atacadas por el oxígeno ni por el ozono. Resistentes a la abrasión, retienen la forma original, no se deterioran con los desodorantes, detergentes y lociones (Lycra). Las fibras de policarbonato se pueden usar para hilos de hilvanar. Es soluble en disolventes de lavado en seco, por lo tanto no se puede usar para prendas. Química Industrial 13

14 Las fibras de poliimidas han sido investigadas por la empresa Du Pont. No funden ni suelen ser solubles en disolventes convencionales, por lo que no se pueden hilar por fusión, se utiliza un disolvente orgánico y después se hila en seco. Tiene una gran flexibilidad y encoge muy poco con el agua en ebullición, además de su comportamiento ignífugo y su termorresistencia. Se usa para la filtración de gases en caliente, prendas protectoras, y el más importante es como sustitución del amianto. Las fibras de polibenzimidazol (PIB) tienen una gran resistencia a las altas temperaturas y a los productos químicos, por lo que se usan para prendas de protección térmica, telas filtrantes y también como alternativa al amianto. Fue una de las primeras fibras en usar la N.A.S.A., y fue para el cable de seguridad en el primer paseo espacial. No arde al aire y tiene una gran estabilidad, por lo que es de gran utilidad para la aeronáutica, armamento ligero y textiles industriales. Las fibras de alto módulo son las más avanzadas tecnológicamente, sus usos son principalmente para la industria. Los más importantes son: Nomex, Kevlar, Twaron, Spectra, Tenfor. Son polímeros muy rígidos y con gran consistencia estructural, por lo que son difíciles de hilar. Al tener altas prestaciones: resistencia a la abrasión, a los productos químicos, gran tenacidad, resistencia a objetos punzantes..., su precio es caro. Se usan para la industria aeronáutica, embarcaciones (cascos), cintas transportadoras, sustitución del amianto y el acero, cables ópticos y tendidos submarinos. 4. BIBLIOGRAFÍA Física y Química de las Fibras Textiles. Autor: Pablo Martínez de las Marías. Enciclopedia Encarta 99. Internet: Revista Quo, nº 55 Química Industrial 14

15 Cruz Basañez, Natalia Goicoechea Arrufat, Ana Hermosilla Busto, Laura Ruiz Aizpuru, Nerea San Sebastián, M Química Industrial 15

16 D. (Artículos) ANEXOS Química Industrial 16

17 D.1.1 Fibras Ópticas en las autopistas de la información En este artículo se exponen las características que hacen de la fibra óptica un excelente soporte para la transmisión de información, así como los avances que han permitido transmitir varios millones de conversaciones telefónicas simultáneas, a miles de kilómetros de distancia, con un solo par de fibras ópticas. Millones de conversaciones en una fibra óptica. De Emmanuel Desurvire y José Chesnoy. Los primeros cables submarinos que sirvieron para la comunicación entre continentes fueron los cables telegráficos, instalados en los tiempos de la guerra de Secesión. Les han sucedido los cables coaxiales, para realizar conversaciones telefónicas. El primer cable coaxial que unió los dos lados del Atlántico, tendido en 1955, correspondía a 48 líneas telefónicas. Cuánto camino se ha recorrido desde entonces gracias a las fibras ópticas! Un solo par de estos largos y delgados cabellos de vidrio, que vehiculan la información en forma de impulsos de luz, transmite simultáneamente cerca de comunicaciones telefónicas de un continente a otro, es decir a una distancia de a km. La idea de fabricar fibras de vidrio de sílice suficientemente puro para transportar la luz a grandes distancias se ha ido abriendo camino desde finales de los años 60. El fundamento: la luz enviada por el interior de la fibra se refleja en sus paredes, lo que tiene como consecuencia guiar el haz luminoso a lo largo de la fibra, incluso cuando ésta está curvada. La concretización de esta idea requirió tiempo: han sido necesarias sucesivas innovaciones tecnológicas relativas tanto al soporte material las fibras ópticas como a la manera de enviar y hacer circular la información por ellas. También se han tenido que desarrollar focos láser en miniatura (los diodos láser) y dispositivos de recepción (fotodiodos), así como la electrónica numérica de los circuitos integrados. Por todo ello, la regla general durante mucho tiempo para las comunicaciones a larga distancia fueron los enlaces de radio por satélite, que no cedieron el paso a los cables ópticos hasta el final de los años ochenta. Pero, en la actualidad, la mayor parte de las comunicaciones intercontinentales se realizan a través de cables ópticos submarinos que, depositados en el fondo de los océanos, tejen una verdadera red alrededor del planeta. De este modo, las fibras ópticas han sustituido completamente a los cables coaxiales. Y, para el usuario, un signo tangible de esta mutación a las fibras ópticas en las comunicaciones telefónicas intercontinentales fue la desaparición en 1988 del tiempo muerto de 0,4 segundos, debido al enlace vía satélite. Química Industrial 17

18 En qué reside el interés de los enlaces ópticos? Cuáles son los principales desafíos que plantean a los ingenieros? Recordemos en primer lugar los principales elementos de un enlace óptico. Comprenden un foco luminoso láser, que es un diodo láser análogo al de los lectores de discos compactos, que funciona en el infrarrojo próximo (a una longitud de onda de 1,3 o 1,5 µm). La luz emitida es modulada por un transmisor, un sistema controlado por la señal eléctrica que aporta la información. Los impulsos luminosos se envían a través de la fibra; en el otro extremo, un fotodiodo (o receptor) reconvierte la señal óptica en señal eléctrica. Y ésta es transformada finalmente en sonido, imagen o texto en el teléfono, la televisión o la pantalla del ordenador. Como en todos los sistemas de comunicación numérica, la información está codificada en forma de una sucesión de «0» y de «1», en la que cada elemento se llama «bit» (de binary digit). En una fibra óptica, los «0» y los «1» son transportados físicamente por una onda luminosa cuya intensidad se modula: el tiempo se divide en almenas de igual duración, y en cada almena, el «1» se codifica por medio de un impulso luminoso de una cierta intensidad, mientras que el «0» se representa por una ausencia de luz. Es el mismo principio que el de la lectura en los discos láser compactos. La codificación más extendida en la codificación «no vuelta a cero», o NVC: las almenas están unidas unas a otras. Por lo tanto, en el gráfico de la intensidad luminosa en función del tiempo, aparecen rectángulos de longitud (= duración) variable según el número de «1» sucesivos. El teléfono estándar funciona a 64 kilobits ( bits) por segundo, la futura televisión numérica lo hará a unos 100 megabits (100 millones de bits) por segundo. En las comunicaciones numéricas de alto caudal, se cuenta ahora en gigabits por segundo (Gbit/s), es decir mil millones de «0» o de «1» transmitidos por segundo en forma de impulsos luminosos. Para hacerse una idea, 1 Gbit/s representa un potencial de conversaciones telefónicas simultáneas. Por qué está limitado el caudal? No olvidemos que los impulsos que constituyen las señales están individualizados en una onda luminosa. Esta distinción sólo tiene sentido si cada almena contiene uno o mejor varios arcos de onda. Más formalmente, la teoría de la comunicación nos dice que el número de informaciones transmitidas por segundo no puede exceder a la frecuencia de la onda portadora (es decir, como máximo un bit por periodo de la onda). Esta propiedad muestra el interés de utilizar señales ópticas cuyas frecuencias van de 1014 a 1015 Hz, en vez de ondas de radio de frecuencias más bajas (del orden de 105 a 1010 Hz). Química Industrial 18

19 Las fibras ópticas hacen posibles caudales muy elevados, con unas pérdidas mucho menores que en los cables eléctricos Una mayor caudal no es la única ventaja de la luz. Las fibras ópticas presentan unas pérdidas mucho menores que los cables de cobre utilizados en las transmisiones eléctricas. Tomemos un ejemplo. Para caudales de información de 1 Gbit/s, la frecuencia de la onda portadora tiene que ser por lo menos del orden del gigahercio (109 Hz). Pero, en este orden de frecuencias, un cable coaxial de cobre no es del todo adecuado: pierde el 99,9 % de su energía en 1 kilómetro, y aún más a frecuencias más elevadas. Este soporte no sólo sirve para señales de menor frecuencia (1-100 Mhz), y por lo tanto para menores caudales. Por su parte, las fibras de vidrio, presentan a la frecuencia de 2 x 1014 Hz (luz infrarroja de longitud de onda 1,5 µm) una transmisión del 95 % por kilómetro, lo que hace posible un alcance muy largo. La amplitud y la rapidez de los progresos se aprecian claramente cuando se sabe que la primera fibra desarrollada por la empresa norteamericana Corning, en 1970, también perdía el 99 % de la luz al cabo de solamente un kilómetro a comparar con la misma pérdida para 100 kilómetros en el estado actual. Pese a estas notables transparencias, la señal termina, después de una cierta distancia, por debilitarse y parecerse demasiado al ruido de fondo de los detectores. Por debajo de determinado umbral de energía, los detectores se vuelven incapaces de distinguir sin ambigüedad los «0» de los «1». Los estándares habituales en telecomunicaciones imponen un máximo de un error por cada mil millones de bits recibidos, y esto corresponde típicamente a 500 fotones por bit. En las comunicaciones de alto caudal este límite se alcanza pronto. Veamos las cifras: la potencia óptica de un diodo láser es de algunos milivatios, lo que representan unos 106 fotones por segundo. A un caudal de transmisión de 1 Gbit/s, hay por lo tanto 107 fotones por bit. Se calcula fácilmente que con una transparencia del 95 % por kilómetro, el umbral de 500 fotones se alcanza al cabo de unos 200 kilómetros. Para extender el alcance de los enlaces a varios centenares de kilómetros sin degradar la tasa de error, basta con mantener el número de fotones por bit por encima del valor fatídico por medio de dispositivos que regeneran la señal debilitada. Los «repetidores» optoelectrónicos aparecieron en el mercado en los años 80. El repetidor mismo incluye un fotodiodo (chip de material semiconductor sometido a una tensión) que convierte la señal óptica en una señal eléctrica, un amplificador, una báscula electrónica que decide si se trata de un «0» o de un «1», y finalmente un diodo láser controlado por la señal eléctrica resultante para la conversión inversa. El amplificador es alimentado por una fuente eléctrica, introducida en una envoltura de cobre aislada que rodea al cable óptico. A la amplificación de la señal óptica, el repetidor añade también un tratamiento electrónico de reajuste y de filtrado del ruido. Química Industrial 19

20 En 1988 se instaló el primer sistema de este tipo entre Francia, Inglaterra y Estados Unidos. Opera a un caudal global de 2 x 0,28 Gbit/s (dos pares de fibras) y está constituido por un cable submarino de kilómetros de longitud, dotado de unos 110 repetidores situados cada 70 kilómetros. La capacidad correspondiente es de circuitos telefónicos. Pero los repetidores optoelectrónicos conllevaban en sí mismos una limitación. Para las distancias transoceánicas, el caudal máximo de estos enlaces por fibra óptica estaba limitado no por la fibra misma, sino por la rapidez de la electrónica de los repetidores. En efecto, para frecuencias de funcionamiento superiores al gigahercio, los circuitos electrónicos resultan caros y su fiabilidad disminuye. Para las largas distancias es indispensable la regeneración de las señales luminosas por medio de amplificadores Este obstáculo se ha superado gracias a la aparición revolucionaria, al final de los años 80, de los amplificadores ópticos de fibra de vidrio dopada con erbio. Un desarrollo que fue rápidamente seguido en 1955 por su entrada en servicio en el campo de los cables submarinos. Un amplificador óptico funciona según un principio análogo al de un láser. Los átomos de erbio contenidos en la fibra se excitan por medio de un diodo láser auxiliar que los «bombea» a un estado de energía superior, energía que pueden ceder al desexcitarse para amplificar la señal debilitada que pasa por la fibra. De este modo la potencia de la señal óptica se multiplica en un factor que va de 100 a En las telecomunicaciones ópticas, el interés de utilizar estos amplificadores ópticos en vez de los electrónicos es enorme. En primer lugar, como los amplificadores mismos son fibras, se conectan por simple soldadura (efectuada por medio de un arco eléctrico) a las fibras de transmisión. Pero, sobre todo, evitan las conversiones optoelectrónicas efectuadas por los repetidores y por lo tanto la limitación de caudal asociada a estos últimos. La gama de frecuencias que acepta el amplificador óptico se extiende a menudo a varios terahercios (1 Thz = Ghz), un intervalo que engloba muy ampliamente la señal a amplificar. Otra propiedad cuyo interés veremos más adelante es que se pueden amplificar simultáneamente varios canales ópticos de longitudes de onda diferentes. Estas cualidades eran bien conocidas desde hace unos treinta años. Por qué una espera tan larga? El éxito de los repetidores ópticos se explica por la puesta en común de tecnologías llegadas a la madurez: la fabricación de fibras ópticas ultrapuras, las técnicas de dopado con erbio y la fabricación de los diodos láser necesarios para los amplificadores. Química Industrial 20

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